Las festividades comenzaron hoy para conmemorar el cumpleaños número 125 del famoso físico Satyendra Nath Bose, que nació este día en 1894. El nombre de Bose estaba en las noticias cuando el CERN descubrió el bosón de Higgs hace unos años. Muchos informes señalaron y celebraron el hecho de que la palabra «bosón» en «bosón de Higgs» había sido acuñada del apellido de Bose. Sin embargo, el bosón de Higgs no es la única partícula que disfruta de este honor, y de hecho hay toda una clase de partículas elementales que comparten un nombre de grupo: bosón.
Piense en las muchas partículas de las que ha oído hablar, como electrones, protones, neutrones, neutrinos y fotones. Todas las partículas de esta lista, excepto el fotón, son las llamadas partículas de materia. El fotón, por otro lado, es un cuántico, o pequeño haz, del campo electromagnético.
La relación entre las partículas de materia y los cuantos de campo es simple: las partículas de materia interactúan entre sí intercambiando los cuantos de campo apropiados.
Una diferencia fundamental entre las partículas de materia y los cuantos de campo es que, si bien puede introducir tantos cuantos de campo en un volumen pequeño, no puede hacerlo con la materia. Para ver esto, simplemente trata de sentarte cerca de otra persona; hay un límite en lo cerca que puedes estar. Esto se debe a que los electrones, protones, etc. en nuestros cuerpos se resisten a apilarse uno encima del otro. No ocurre lo mismo con los cuantos de campo, que se pueden empaquetar tan estrechamente como sea necesario.
Esta diferencia esencial debe abordarse cuando observamos sistemas de partículas idénticas, por ejemplo, colecciones de electrones o fotones. La diferencia se manifiesta en las propiedades estadísticas del sistema de partículas múltiples. Las partículas de materia como electrones, protones, etc. obedecen a lo que se conoce como la estadística de Fermi-Dirac y, por lo tanto, se conocen como «Fermiones». Los cuantos de campo, por ejemplo, obedecen a lo que se llama Estadística de Bose-Einstein y se denominan colectivamente «Bosones».
En general, escuchamos menos sobre los bosones. Existe el bosón de Higgs que da masa a partículas como protones y neutrones. Están los bosones W y Z asociados con la fuerza débil y los nutrinos.
¿Por qué llamarlos bosones?
Ahora, ¿por qué se conocen estas partículas como bosones? Fue Bose quien realmente descubrió (en el caso específico de los fotones) cómo se comportaría un grupo de fotones idénticos. Estaba interesado en reproducir, matemáticamente, la ley de radiación de Planck utilizando solo ideas de mecánica cuántica. Empleó una técnica en este cálculo que sentó las bases de la estadística cuántica. Luego envió su artículo a Albert Einstein, quien reconoció el valor de su cálculo y lo tradujo al alemán y lo publicó en la revista Zeitschrift fur Physik. Este trabajo resultó ser seminal y la técnica utilizada por Bose se llama Estadística de Bose-Einstein y las partículas como los fotones que obedecen a estas estadísticas se llaman bosones.
Aunque el propio Bose no se dio cuenta del enorme avance que había hecho, Einstein sí, y llevó el trabajo de Bose mucho más lejos. El físico Paul Dirac fue el primero en usar el término «bosón» para describir las partículas que obedecían a las estadísticas de Bose-Einstein, con el fin de celebrar la contribución de Bose al desarrollo de esta teoría.